基于AVR單片機(jī)的節(jié)能機(jī)器人電梯，軟硬件協(xié)同

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，高層建筑和智能化建筑的不斷出現(xiàn)，作為垂直運(yùn)輸工具的電梯得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)電梯服務(wù)質(zhì)量及可靠運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求。在2010年4月22日電梯行業(yè)“節(jié)能·安全·智能”技術(shù)交流會(huì)上中國(guó)電梯協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)張樂祥提出節(jié)能、安全、智能已成為電梯技術(shù)發(fā)張的主流，驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)仍存在改善空間，遠(yuǎn)程監(jiān)控維修技術(shù)成為焦點(diǎn)。

本文在節(jié)能方面運(yùn)用電梯群控分配控制技術(shù)，以能量消耗作為主要指標(biāo)把侯梯和乘梯時(shí)間作為模型約束建立數(shù)學(xué)模型，另外如果持續(xù)3 分鐘沒有轎廂、層站召喚，電梯將自動(dòng)關(guān)閉照明及風(fēng)扇，并降低梯廳位置顯示器的亮度，從而大幅度減少待機(jī)電力消耗；在安全和智能方面通過(guò)對(duì)電梯的各種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、診斷和報(bào)警。

因此，此項(xiàng)目開發(fā)是基于 AVR處理器的智能電梯控制器，并融合CAN總線技術(shù)、多媒體技術(shù)、智能控制技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、故障預(yù)測(cè)與診斷等技術(shù)。在硬件上，選用32位AVR處理器作為電梯控制器的核心CPU，在軟件上，選用Linux操作系統(tǒng)作為電梯核心控制器的軟件平臺(tái)。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨我國(guó)城市化建設(shè)的迅猛發(fā)展和物質(zhì)文化生活質(zhì)量迅速提高，建筑業(yè)日益發(fā)展壯大。為建筑物內(nèi)提供上下交通運(yùn)輸?shù)碾娞莨I(yè)也迅速發(fā)展起來(lái)。電梯不僅是生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，更是人們生活和工作中必備的交通工具。和汽車一樣、已成為人們頻繁使用的交通運(yùn)輸設(shè)備。

近年來(lái)，我國(guó)每年新增電梯均在15%以上，因此我國(guó)的電梯節(jié)能有許多潛力可挖。我國(guó)的電梯生產(chǎn)量、需求量已經(jīng)占到全球50%以上，而電梯節(jié)能技術(shù)的研究基礎(chǔ)比較薄弱。電梯要實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能，與樓宇的電梯配置方案也密切相關(guān)。目前我國(guó)有許多樓宇都存在電梯的無(wú)效耗能。例如，一棟樓配置了多臺(tái)電梯但卻沒有采用普通的并聯(lián)、群控技術(shù)或目的選層群控技術(shù)，導(dǎo)致多臺(tái)電梯向同方向運(yùn)行的無(wú)效耗能。因此為了提高高層建筑中多部電梯的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，需要用電梯群控管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行合理的調(diào)度和管理。

然而近些年電梯安全事故時(shí)有發(fā)生，整個(gè)行業(yè)不得不深入分析。就電梯事故的原因，我們需要對(duì)電梯故障及時(shí)檢測(cè)，就能有效地預(yù)防電梯事故的發(fā)生，減少對(duì)人們?cè)斐傻奈：Α?/p>

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，我們?nèi)谌肓?ldquo;節(jié)能環(huán)保”的理念，設(shè)計(jì)了“基于AVR單片機(jī)的節(jié)能機(jī)器人電梯”。

二、需求分析

2.1 功能要求

（1）當(dāng)電梯3分鐘沒有接收呼梯信號(hào)時(shí)，電梯自動(dòng)關(guān)閉照明及風(fēng)扇。

（2）當(dāng)電梯運(yùn)行速度超過(guò)一定值時(shí)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

（3）當(dāng)電梯斷電時(shí)，發(fā)送斷電信號(hào)到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

（4）當(dāng)轎廂內(nèi)報(bào)警按鈕按下時(shí)發(fā)送信號(hào)至遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收到信息后由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)端的工作人員發(fā)送信號(hào)到轎廂點(diǎn)亮報(bào)警指示燈。

（5）當(dāng)電梯的重量超過(guò)一定值時(shí)，電梯停止啟動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警聲音

（6）電梯轎廂外顯示屏上能夠顯示電梯目前所在層數(shù)、所呼叫電梯等待時(shí)間

（7）電梯轎廂內(nèi)顯示屏上能夠顯示電梯當(dāng)前運(yùn)行方向（電梯向上運(yùn)行時(shí)，向上運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；電梯向下運(yùn)行時(shí)，向下運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮）、當(dāng)前所在層數(shù)、電梯到達(dá)目的層的的時(shí)間

（8）當(dāng)多個(gè)呼梯信號(hào)同時(shí)發(fā)出時(shí)，電梯能夠通過(guò)群控器進(jìn)行最優(yōu)配置，并且有轎廂外顯示屏顯示所分配電梯

2.2 性能要求

1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并有效傳輸

2）群控--模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，能耗率低

3) 設(shè)備具有數(shù)據(jù)通信、電源管理和設(shè)備監(jiān)控的功能

4）設(shè)備具有視窗化人機(jī)界面和綜合監(jiān)控應(yīng)用軟件

5）系統(tǒng)工作穩(wěn)定且兼容性強(qiáng)，核心控制和遠(yuǎn)程控制聯(lián)動(dòng)便利，易維護(hù)

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)架構(gòu)圖

（一）信息采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于采集電梯的運(yùn)行狀態(tài)、電梯故障信息、樓層號(hào)、呼梯信號(hào)、開關(guān)門信號(hào)以完成電梯基本控制功能，并將這些信息通過(guò)CAN總線發(fā)送到?jīng)Q策系統(tǒng)（監(jiān)視工作站、群控器）進(jìn)行處理及時(shí)作出響應(yīng)。

關(guān)于信息采集各模塊的信息如下表所示：

（二）通訊系統(tǒng)

由于采用了AVR32單片機(jī)作為核心控制器，其開發(fā)板上已有兩個(gè)CAN接口，因此通過(guò)使用CAN總線控制器比較方便。

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)電梯各種信號(hào)，并通過(guò)CAN通訊卡與決策系統(tǒng)相連。電梯核心控制系統(tǒng)可以通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)和各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通訊，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)參數(shù)的采集及數(shù)據(jù)的初步分析，并與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)Internet技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的綜合分析，另外計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心也可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

運(yùn)用Internet技術(shù)和分布在各地的電梯所在的局域網(wǎng)把每臺(tái)電梯連接起來(lái)，也就是讓電梯上網(wǎng)，通過(guò)Intertnet實(shí)時(shí)傳送電梯的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。可以變被動(dòng)保養(yǎng)為主動(dòng)保養(yǎng)，使用戶的故障停梯時(shí)間大大縮減。同時(shí)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的故障信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)能夠方便地使維保中心建立起一套電梯運(yùn)行、故障及維修檔案庫(kù)，被保養(yǎng)電梯何時(shí)出現(xiàn)故障、維修人員何時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)、電梯如何恢復(fù)正常等數(shù)據(jù)都會(huì)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中?？梢詫?duì)某臺(tái)電梯，某組群控電梯，或某一特定時(shí)間段的電梯故障及維修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。維保中心的操作人員可以通過(guò)監(jiān)控軟件定期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表打印等工作。

系統(tǒng)硬件以高性能的嵌入式微處理器AVR32 AT32UC3A，其中的Internet控制器和DSP模塊為核心來(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)中的以太網(wǎng)模塊，并在AVR32單片機(jī)中的DSP模塊用軟件實(shí)現(xiàn)TCP/PI協(xié)議棧，使AVR32芯片具備上網(wǎng)功能，從而可以用監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)AVR32單片機(jī)與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交換。DSP主要完成數(shù)據(jù)的解包和封裝。當(dāng)有數(shù)據(jù)從Internet控制器傳輸過(guò)來(lái)時(shí)，DSP對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是ARP數(shù)據(jù)包，程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是PI數(shù)據(jù)包，通過(guò)判斷PI數(shù)據(jù)包的類型，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的CIMP處理程序和TCP處理程序，數(shù)據(jù)解包后，將需要的數(shù)據(jù)保存。當(dāng)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行層層封裝，發(fā)送到AVR Internet模塊緩沖區(qū)，Internet控制器將數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后通過(guò)以太網(wǎng)接口輸出到局域網(wǎng)中。

通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（三）電梯核心控制系統(tǒng)

電梯核心控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集到的電梯各部分?jǐn)?shù)據(jù)(包括電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等)進(jìn)行處理以完成電梯基本控制功能，同時(shí)將處理后的相關(guān)信息經(jīng)通訊模塊傳輸給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。當(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，將電梯信息通過(guò)各個(gè)電梯的主控制器的故障診斷算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的電梯故障診斷，并將診斷后的故障信息送給遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。當(dāng)電梯接收到呼梯信號(hào)時(shí)，將呼梯信息發(fā)送給群控制器，經(jīng)群控制器分析處理后發(fā)送分梯信號(hào)進(jìn)行電梯調(diào)度。對(duì)于基本控制功能，電梯核心控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線方式從電梯內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)上掛接的外呼、操縱盤和門機(jī)單元采集呼梯、開關(guān)門按鈕和門狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)點(diǎn)亮應(yīng)響應(yīng)的呼梯燈，以實(shí)現(xiàn)對(duì)呼梯系統(tǒng)的控制。核心控制器還通過(guò)脈沖接收裝置接收光電編碼器傳輸過(guò)來(lái)的脈沖信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的定位。

在智能方面，電梯核心控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、群控、GPRS報(bào)警等功能。其中，以三臺(tái)電梯為例，核心控制系統(tǒng)分為一個(gè)群控制器和三個(gè)電梯主控制器，這四個(gè)控制器均由AVR單片機(jī)構(gòu)成，其中三個(gè)電梯主控制器與群控器、監(jiān)視工作站的通信方式有兩種，一種是三者位于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，我們通過(guò)另一條CAN總線(異于電梯內(nèi)部的CAN控制網(wǎng)絡(luò))將群控制器和主控制器掛接在一起；另一種是群控和監(jiān)視信息分別在不同的網(wǎng)絡(luò)中傳輸，其中核心控制器與群控器通過(guò)CAN總線方式實(shí)現(xiàn)通信，而監(jiān)視信息可通過(guò)以太網(wǎng)方式由電梯主控制器傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為兼容這兩種方式，控制器在設(shè)計(jì)時(shí)將同時(shí)考慮CAN通信和以太網(wǎng)通信兩種方式。

群控制器除了與三臺(tái)電梯主控制器通過(guò)CAN總線通信，還連接了外呼板模塊、存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊。存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)處理信息。外呼板模塊將呼梯信號(hào)傳送給群控制器，群控制器經(jīng)過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得出最節(jié)能的電梯行駛路徑，并將算出結(jié)果反饋給液晶顯示模塊，達(dá)到人機(jī)交互的作用。

GPRS功能可用于向遠(yuǎn)程維修服務(wù)器或遠(yuǎn)程維修人員以無(wú)線方式發(fā)送報(bào)警信號(hào)及相關(guān)的故障信息。為方便電梯的管理與配置。我們可以通過(guò)LED段碼管顯示電梯當(dāng)前位置，通過(guò)鍵盤輸入對(duì)電梯的參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)具有中文顯示功能的LCD顯示屏建立電梯的配置界面，并可用于故障信息的實(shí)時(shí)顯示。

電梯主控制器結(jié)構(gòu)圖如下：

群控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下：

（四）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，專業(yè)人員根據(jù)頁(yè)面上顯示的相關(guān)信息及時(shí)處理。

電梯正常情況下處于群控狀態(tài)和休眠狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并主動(dòng)轉(zhuǎn)到故障頁(yè)面，顯示故障原因、電梯所在的位置，工作人員及時(shí)聯(lián)系維修人員及其醫(yī)護(hù)人員。

頁(yè)面顯示圖如下：

（五）人機(jī)交互系統(tǒng)

每個(gè)單梯系統(tǒng)安裝一個(gè)24層的電梯操縱盤。操縱盤放置在轎廂內(nèi)門的右側(cè)，轎廂內(nèi)無(wú)輔助操縱盤。操縱盤上的主要功能如下：

1）1-24層指令按鈕及指示燈

2）開關(guān)門、門保持按鈕

3）電梯運(yùn)行狀態(tài)顯示（樓層以及據(jù)目的樓層的時(shí)間顯示）

4）報(bào)警按鈕及指示燈

報(bào)警按鈕是乘客被困在轎廂內(nèi)時(shí)用來(lái)呼救和與外界聯(lián)系的工具，轎廂先將報(bào)警信號(hào)傳遞給電梯核心控制系統(tǒng)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)電梯核心控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)模塊處理后再經(jīng)由通信系統(tǒng)傳至遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后再發(fā)送新信號(hào)到轎廂內(nèi)去點(diǎn)亮指示燈告訴被困人員，工作人員已獲知被困消息來(lái)安撫被困人員。

3. 2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

（一）硬件平臺(tái)選用

EVK1105是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評(píng)估套件和開發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設(shè)、內(nèi)存，并且可充分開發(fā)AVR32設(shè)備的全部潛能。其開發(fā)板圖如下所示：

• 支持AT32UC3A

• 以太網(wǎng)端口

• 傳感器：光照、溫度、電位器

• 4x20藍(lán)色LCD（PWM變頻背光）

• JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。

• SD和MMC讀卡器

AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

（二）AVR Studio 5 開發(fā)軟件

·智能編譯器

·400個(gè)演示工程

·支持8位或32位AVR

·便捷的用戶手冊(cè)和用戶指南

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

（1）電梯控制軟件總體結(jié)構(gòu)

一、內(nèi)核層：操作系統(tǒng)內(nèi)核和庫(kù)提供了各種機(jī)制，這些機(jī)制包括了內(nèi)存的管理、線程調(diào)度、線程同步等，這些機(jī)制是電梯核心控制器嵌入式軟件的核心，所有的任務(wù)都在這些機(jī)制的統(tǒng)一管理下有序地實(shí)現(xiàn)各自的功能。

二、接口層（驅(qū)動(dòng)程序）：驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆诓僮飨到y(tǒng)的一部分，包括了各模塊中所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，例如：以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、SPI驅(qū)動(dòng)、CAN節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，GPIO的驅(qū)動(dòng)、計(jì)數(shù)器的驅(qū)動(dòng)、人機(jī)交互模塊中段碼管、鍵盤和LCD的驅(qū)動(dòng)。它們負(fù)責(zé)直接與硬件打交道，實(shí)現(xiàn)CPU與各設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

三、應(yīng)用層：這部分處于整個(gè)結(jié)構(gòu)的頂層，由用戶直接根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的具體功能編寫實(shí)現(xiàn)，每個(gè)任務(wù)由一個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的開發(fā)可分為三個(gè)模塊：

（1）數(shù)據(jù)塊模塊：存放歷史數(shù)據(jù)

（2）通信模塊：分為以太網(wǎng)模塊、CAN通信模塊、SPI通信模塊。以太網(wǎng)模塊采用TCP / IP協(xié)議,通過(guò)Sock2et通信與參數(shù)設(shè)定板按照自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信,完成電梯參數(shù)的設(shè)定(包括電梯的時(shí)間參數(shù)、距離參數(shù)、功能性參數(shù)等一百多個(gè)參數(shù)的設(shè)定)；CAN通信模塊,完成與內(nèi)、外召板直接的通信,主要用來(lái)傳輸樓層信息、樓層字符的顯示、開關(guān)門到位等一系列的控制信息；SP I通信模塊主要用來(lái)作為與輔助MCU的通信,該通信包括:編碼器的值、電梯的狀態(tài)信息、時(shí)鐘數(shù)據(jù)

（3）控制模塊：控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，該模塊包括電梯的三大模式：正常模式、故障模式、群控模式。正常模式包括電梯單梯運(yùn)行時(shí)的相關(guān)程序和跑層算法；故障模式包括電梯在出現(xiàn)故障時(shí)做出反應(yīng)，確保電梯安全運(yùn)行；群控模式包括多梯運(yùn)行時(shí)使得耗能最少，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

軟件架構(gòu)圖如下：

軟件架構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)軟件流程

該系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)作為電梯核心控制器的軟件平臺(tái)。應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制層。我們?cè)谠搶訉?shí)現(xiàn)電梯的主要功能，采用優(yōu)先調(diào)度的算法，實(shí)現(xiàn)電梯各種運(yùn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。一旦出現(xiàn)故障系統(tǒng)便轉(zhuǎn)換到故障模塊對(duì)各種故障進(jìn)行處理；存在呼梯信號(hào)時(shí)系統(tǒng)便轉(zhuǎn)換到群控模塊；長(zhǎng)時(shí)間沒有接收到呼梯信號(hào)時(shí)系統(tǒng)便轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)。

該系統(tǒng)的主程序和故障模塊流程圖如下：

（1）主程序流程圖如下：

（2）故障模塊

故障模塊流程圖

（3）群控模塊：

電梯群控系統(tǒng)派梯調(diào)度算法流程如下：

（1）更新呼梯信號(hào)序列，通過(guò)交通流模式識(shí)別模塊獲取當(dāng)前交通流模式并確定調(diào)度策略。

（2）通過(guò)交通流數(shù)據(jù)采集模塊獲取當(dāng)前電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)呼梯信號(hào)序列中的每一個(gè)呼梯信號(hào)計(jì)算其每臺(tái)電梯響應(yīng)的可信度。

（4）當(dāng)電梯發(fā)生客流量或呼梯信號(hào)變動(dòng)則跳轉(zhuǎn)到（1）

電梯群控系統(tǒng)調(diào)度圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

（1）在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的監(jiān)視器上能夠準(zhǔn)確的顯示每個(gè)電梯的壓力、電流、速度等信號(hào)變化圖像

（2）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電梯情況

（3）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能得到電梯的能耗情況

（4）轎廂顯示屏能顯示當(dāng)前電梯運(yùn)行狀態(tài)

（5）轎廂顯示屏能顯示電梯運(yùn)行時(shí)預(yù)估計(jì)到達(dá)目的層的時(shí)間

（6）報(bào)警成功時(shí)報(bào)警指示燈能成功被點(diǎn)亮